干货|外三电厂节能技术盘点

上海外高桥第三发电有限责任公司(简称外三)投产当年，就创出全世界最低的实际运行供电煤耗：287克 /千瓦时。这还是在只有74%的负荷率的情况下。此后每年，在持续的技术创新的推动下，都大幅刷新供电煤耗最低世界纪录。到2013年，国际煤电界由外三创造的纪录已进入280克 /千瓦时以下，达到276克 /千瓦时左右。

世界范围内，中国以外公认技术指标最好的燃煤发电厂是丹麦NORDJYLL电厂3号机组，由于实施了二次再热超超临界技术，并有超低温冷却海水的得天独厚的优势，其实际运行供电煤耗为286.08克 /千瓦时。我们发现，这项“原世界纪录”比外三差了10克 /千瓦时，而10克 /千瓦时是煤电行业通常所称的一代技术的差距。

5月25-26日，北极星电力网联合中国节能协会举办的2017清洁燃煤发电中国国际论坛，外三电厂将作为参观基地全面参与到此次论坛当中。26日上午9点，外三电厂总经理施敏发表演讲，下午2点30在外三电厂实地考察学习(参观人员限额30人)。届时将有专业人员对外三的高效绿色煤电技术进行介绍，相信会为每一个亲临现场的人带来一份零距离的技术盛宴，立即点击抢位!如想了解清洁燃煤发电中国国际论坛更多会议信息，欢迎点击：http://news.bjx.com.cn/zhuanti/2017rmfh/下文作为实地参观的热身，对外三电厂采用的节能技术做出盘点。

一、锅炉侧的主要技术

1、排烟损失及回收技术

众所周知，锅炉的各项损失中，排烟损失约占全部损失的80%，因此，如何降低该项损失是极具吸引力的课题。此外，引风机和脱硫增压风机做功致使烟气焓和温度上升，其温升最高可达10℃左右，颇为可观。不过，锅炉排烟温度的绝对值较低，一般在130℃左右甚至更低，可资利用的有用能有限。由于烟气中含有SO2，安装SCR 脱硝装置后还会增加SO3 及硫酸氰胺，余热回收装置易出现表面凝结硫酸露，这会对换热器产生强腐蚀，同时烟气中的飞灰极易粘在结露的换热器表面，碱性的烟灰与硫酸露结合后呈水泥状，极难清除。这种情况持续发展甚至可以使烟道的通风能力严重下降。德国在解决这类问题方面作了有益的探索，采用耐酸塑料管材制作换热器。但是，由于塑料的换热系数很低，制成的换热装置非常庞大，造价昂贵。据悉，日本采用了钢制换热器回收烟气余热，但为防止结露，烟气温降有限，且燃煤的含硫量需严格控制。

中国的动力煤蕴藏量丰富，但含硫量较高且不稳定。此外，作为发展中国家，投资要考虑性价比，故上述两种方案均难以借鉴。

通过深入研究，我们改变解题的角度，从而破解了这一难题。其基本思路是通过专门的控制措施尽可能不让换热器表面结酸露，辅之以换热器低温段的钢材具备一定的耐酸性，并将其置于增压风机与脱硫塔间的低尘区域，既能防止磨损，又降低了积灰和堵塞的风险，还兼顾了引风机、增压风机做功致烟气焓的回收。换热器采用鳍片管以提高换热效率。余热回收工质为低压加热器间的凝结水，被加热的凝结水减少了低压缸抽汽，降低了汽轮机的热耗。

两台机组的脱硫烟气余热回收系统分别于2009 年6月和10 月先后投入运行，至今运行情况良好。经多次检查，腐蚀情况甚微，寿命影响可以忽略。性能试验表明，该套装置的投产，使机组的效率上升了0.4%，脱硫塔喷水降低45t/h。

2、空预器密封技术

回转式空预器是当今大型锅炉的通用配置，外三电厂采用的是转子回转式，转子直径17m× 高2.5m。设计漏风率<5%，一年后<6%。

转子回转式空预器虽有很多优点，但其转子在运行中会出现“蘑菇型”非线性变形，动静间隙较难控制，这导致其漏风率较大。漏风会导致两个后果，一是各相关风机的总风量增大，功耗相应增加，其功率增量约与漏风率的三次方正相关;二是致空预器换热效率下降，导致排烟损失增加，锅炉效率下降。

为降低空预器的漏风率，我们研究开发了一种“全向柔性密封技术”，这种密封装置是以不改变原有设备结构为前提，在径向、轴向和环向均加装了磨损率可控的接触式柔性密封，利用其柔性特点补偿动静间隙的非线性变化，从而使漏风率显著降低。应用该技术后，额定工况下的厂用电率降至3.5% 以下(包括脱硫、脱硝)。与此同时，锅炉热风温度也明显上升，相应提高了锅炉热效率。该项创新提升了约0.29% 机组效率。

3、锅炉的节能启动系列技术

大型超(超)临界机组的启动，需要消耗大量的水、电、油、煤、蒸汽等资源，时间长，且这一阶段的风险远远高于机组正常运行时期。为防止粘性油烟对除尘装置的污染，纯燃油及煤油混烧阶段不宜投除尘器，从而又显著增加了这一阶段的污染物排放量。

通过对国内外直流锅炉不同启动方式以及相应的优、缺点和存在问题的深入研究，我们在理论上取得了一系列的重大突破。在此基础上，对传统的机组启动方式进行了全面的颠覆和创新，研究并设计出了一整套全新的启动技术，取得了卓有成效的成果。如：

(1)不启动给水泵、静压状态下的锅炉上水及不点火的热态水冲洗。这种水冲洗技术不用启动给水泵，也不用点火加热，节约了大量的燃料和厂用电，并且操作简单，可控性好。由于冲洗的水温高，且整个被冲洗受热面内的冲洗介质均处于汽水两相流，极大地改善了冲洗效果。

(2)直流锅炉蒸汽加热启动和稳燃技术。采用这一启动技术后，耗油量下降了一个数量级以上。该方法不仅将锅炉由原来的冷态启动转为热态启动，并且使烟风系统的运行条件更优于热态启动，极大地改善了锅炉的点火和稳燃条件，创造了最低断油稳燃负荷<20%BMCR的纪录，显著提高了锅炉的启动安全性。

(3)取消炉水循环泵的低给水流量疏水启动。这一技术大大简化了启动系统和运行控制，提高了安全性和可靠性，减少了启动损失，同时仍具有常规带炉水循环泵锅炉的极热态启动时间短，损失小的特点。

新启动技术成功应用后，整个启动操作过程明显简化，时间大为缩短，启动能耗大幅降低，特别是厂用电及点火助燃用油呈数量级下降，而安全性则得到显著提高。目前，不论机组处于何种状态，包括冷态启动在内，从锅炉的点火至发电机并网，时间可控制在120 分钟以内。耗油小于10 ～ 20 吨，耗电8 万度，耗煤200 吨(含加热蒸汽)。

二、汽轮机侧的主要技术

1、主蒸汽参数及运行调节方式的优化

西门子的超(超)临界汽轮机均采用了无调节级设计，基本的运行方式为滑压运行。为进一步提高调频运行的经济性，其为中国市场推介的超超临界机型采用了“补汽阀”的调频和过负荷调节技术。其高压缸增加了一个第五级动叶后的进(补)汽口。在主汽阀后与补汽口之间连有一个补汽调节阀。在正常负荷范围内，其主调门及补汽阀均参与调频。通过开启补汽阀或关小主调门来响应加(减)负荷。显然，当补汽阀打开时汽轮机效率会显著下降。而若频繁开启补汽阀并在小开度下运行，极易造成冲蚀和泄漏。

为避免一般情况下开启补汽阀，针对补汽阀作用的两种情况，对设计参数和控制方式等作了以下优化和创新：

(1)适当提高主蒸汽设计压力，并将补汽阀的过负荷开启点设置到夏季最高冷却水温下的额定负荷，从而确保全年在额定负荷及以下工况不开启补汽阀。

(2)针对正常负荷段的汽轮机调频运行，研究开发成功节能型抽汽调频技术。该方法的着眼点是改变汽轮机的调频原理。通过调节凝结水流量，间接地同步改变相关级回热抽气量，辅之以高加抽汽调节的配合，以达到汽轮机暂态功率调节的目的(而后由锅炉燃烧调节系统跟进)。用此方法，可使主调门全开，补汽阀全关，消除汽轮机进汽节流损失。

采用这种调频法反应速度快，功率调节范围相对较大。从外高桥三期两台机组的实践来看，新的调频方式获得了成功。目前，机组的加(减)负荷的速率能达到和超过1.5MW/min。经测算，上述两种优化和创新措施，约可提升0.22% 的机组效率。不过在性能考核试验中，这些效益并不会得到体现。

2、给水泵及系统的优化和节能

通过对以往工程给水系统的配置、调试和运行情况的分析，参考美国、德国的大型超(超)临界机组的给水系统设计和运行经验，外三电厂在中国首次采用100%汽动给水泵，自配独立凝汽器，可单独启动，取消电动给水泵。其启动汽源取自相临机组的冷再热蒸汽。

在机组启动阶段，一旦锅炉产汽后，给水泵汽轮机的汽源即可适时切回本机(冷再热蒸汽)，相当于回收利用了部分原本通过低压旁路排向凝汽器的蒸汽。这就大大降低了机组启动阶段的能耗。

外三电厂选用了德国阿尔斯通的给水泵专用小汽轮机，该小汽轮机的保证效率高达86.7%。此外，该小汽轮机还增加了一个汽源为冷再热蒸汽的调门及对应的调节级。

在机组额定工况时，可设定为前两个调门全开，第三个调门则在超过额定负荷时补汽，并在机组FCB 等工况(汽轮机抽汽消失)时承担全部的功率。因此，机组在额定工况时的运行效率能达到最大化。

此外，研究并试验成功汽动给水泵组低速启动及全程调速运行技术，不仅大大降低了锅炉启动时的能量损耗，还提高了机组效率，极大地简化了系统控制策略，也消除了最小流量再循环阀的冲蚀泄漏风险，提高了设备运行安全性。与其他同类机组相比，该汽动泵相当于使机组提升效率约0.117%。

3、广义回热理论及系列技术

广义回热理论是对经典热力学理论的一种突破，其要点是从传统的以锅炉给水为回热媒介的经典回热循环，拓展为以锅炉输入的水、风、煤等均作为回热媒介的广义回热循环。由于回热介质得以拓展，增加了汽轮机的抽汽应用范畴及抽汽量，从而可降低汽轮机的排汽损失。

根据这一理论，外三电厂开发出了相应的系列技术，并获得了全面成功。以锅炉进风回热技术为例，该技术利用汽轮机抽汽，与锅炉空预器配合，加热锅炉的进风，在回收汽轮机抽汽热能的同时提高了锅炉燃烧效率。

该技术不像传统暖风器会增加机组煤耗，在提高空预器运行安全性的同时，亦提高了机组的运行效率。该技术的全面应用，可提高机组运行效率0.42% 以上。

广义回热理论适用于所有燃煤机组，能突破火电机组热效率进一步提升的瓶颈，并能解决一系列的环保问题。

4、弹性回热技术

该技术是对传统的给水回热技术的拓展，通过增加调节式高压抽汽，以维持低负荷下的给水温度尽可能不降低或减少降幅，同时也大大减少了低负荷下锅炉省煤器出口烟温的降幅，这能彻底解决脱硝系统在低负荷下必须退出运行的固有问题，显著提升机组的环保水平;而利用抽汽调节阀具有快速改变高压抽汽的能力，还能显著改善机组的调频响应特性;与此同时，低负荷下汽轮机抽汽量的增加还能提高机组的运行效率;此外，低负荷下热风温度的提高及水冷壁进口温度的提高，能明显改善锅炉低负荷的燃烧稳定性、燃烧效率和水动力等问题。在75% 的负荷下，该技术约能提高机组运行效率0.2%。

5、超超临界机组的效率保护

作为超超临界机组，随着蒸汽参数的提高，特别是温度的提高，新的技术问题和矛盾也伴随而至。而这其中的一个突出问题——管道的蒸汽侧氧化及由此引起的固体颗粒侵蚀(SPE)，对机组的安全和经济运行产生了严重威胁。该问题较多发生在机组的启动阶段，因锅炉受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离，剥离的氧化物根据情况，或在管内沉积，或随蒸汽运动并形成固体颗粒。在炉管内沉积严重的会发生爆管。而随蒸汽运动的固体颗粒会造成汽轮机叶片的侵蚀，使其内效率出现不可逆性永久性下降。另外，启动过程中的固体颗粒还会侵蚀旁路阀的密封面，使其产生泄漏并将一部分蒸汽直接短路，从而降低了电厂效率，中国近年来陆续投产的超(超)临界机组，也出现了这方面的严重问题，部分机组仅运行两年多，汽轮机效率就下降了4% 以上。

防治管道的蒸汽侧氧化及由此引起的固体颗粒侵蚀问题，阻止效率下降，也是一种具有重要意义的节能方式。不过，这牵涉到主设备选型、系统设计、安装调试、运行方式及控制理念等诸多环节，需要进行全方位和全过程的综合防治。我们通过10 多年的的跟踪和研究，取得了一系列突破性的的成果，据此制定出了一整套的综合防治技术，并在外三电厂建设中得到了严格的贯彻。

例如，施工阶段的高过热度干态吹管，解决了常规方式水冷壁出口区域吹管动量不足的问题，有效提高了吹管效果;配置大容量旁路系统，并研究开发了机组启动过程中的“高动量冲洗技术”，在汽轮机冲转前实施变负荷、变参数和变回路的高动量冲洗，配以特殊的旁路系统和控制方式，能在每次汽轮机启动前最大程度地剥离氧化物，并将系统内已剥落的氧化皮，包括滞留在零流速区的颗粒物等全部直接送至凝汽器，彻底清除系统内已脱落的氧化物，彻底杜绝机组在高温及高负荷情况下系统内氧化皮及颗粒物的再次析出，从而确保机组的安全性和经济性;研究出新的旁路系统配置设计和控制方式，有效地解决了旁路的侵蚀问题，同时还能缩短机组的启动和带旁路运行过程。此外，蒸汽加热启动及低负荷稳燃技术是采用蒸汽替代燃油和燃煤对锅炉进行整体预加热，使锅炉在点火时已处于一个“热炉、热风”的热环境。杜绝了通常锅炉点火后炉水尚未饱和导致对流受热面先“干烧”并加速高温氧化及产汽后蒸汽进入对流受热面导致“骤冷”使氧化皮松脱及剥落现象的发生。

在运行了30 个月后，外三电厂对锅炉的三级过热器和二级再热器的管道进行了割管检查，过热器和再热器管道内光滑如初，没有任何氧化皮脱落和氧化物堆积的现象。

外三公司的汽轮机在运行了30 个月后，所拍到的中压缸第一级叶片的显示，叶片依然光亮如新。性能试验的比对表明，从机组的第一次启动至今，汽轮机的内效率丝毫未变。

三、下一步的节能创新

目前，外三公司又有一批新的重大节能创新技术完成了前期研究、项目策划。其中世界首创的“火电厂变频总电源技术”项目已建成投产，目前额定工况下的厂用电率可降至1.7% 以下。该技术同时还能使主汽轮机的运行效率有所提高。另外，下一步还有新的节能创新技术将结合机组检修分批实施。届时，外三电厂两台机组的能效水平还将不断提升。

采用“一种高低位分轴布置的汽轮发电机”设计技术

对于能显著提高机组效率的两次再热和700℃计划，高温蒸汽管道都是最大的障碍，针对这一问题，笔者提出了“一种高低位分轴布置的汽轮发电机”设计技术。

这一专利技术的核心是采用双轴汽轮发电机方案，不同于传统的是将其中的高(中)压缸轴系布置于锅炉上靠近过热器和再热器的出口联箱处，而另外的(中)低压缸轴系则仍按常规布置。

这一技术的独特优势在于取消了大部分高价值的高温高压蒸汽管道，从而也相应消除了这部分管道产生的压力和散热损失。显而易见，该技术能使二次再热机组的效率优势得到充分发挥，同时也能避免因增加第二次再热蒸汽管道所带来的蒸汽阻力和散热损失、现场布置困难、投资大等负面影响。

目前已完成的技术论证表明，高(中)压缸轴系的高位布置完全可行。而应用本技术，根据西门子所做的热平衡计算表明，若采用600℃等级蒸汽参数及二次再热方案，其汽轮发电机的热耗水平与目前一次再热常规布置方案相比可再相对下降5%，非常可观。此外，由于采用了双轴方案，其单机容量的瓶颈也被打开，按目前的技术水平，单机容量可达1500MW。

由于本设计方案省去了绝大部分高价值的大直径高温高压管道，相应的支吊架及保温材料和施工费用等，与增加的锅炉二次再热器及汽轮机第二中压缸的费用，高位平台等的费用基本相当。故本设计的机组单位造价并未因此增加。

另外，对于今后发展700℃高效超临界机组，需要采用极其昂贵的大口径厚壁蒸汽管道，故本技术在大幅度降低造价及提高效率等方面都将具有无可比拟的优势。

5月26日14:00限额30人!参观世界上最清洁的燃煤发电厂——赴上海外高桥第三发电有限责任公司实地考察交流!

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2017清洁燃煤发电中国国际论坛，静候您的参与!

会议详情：

主题：燃煤发电清洁化发展之路

时间：05-25 08:00 ~ 05-26 17:00

内容:5月25日8:00-5月26日12:00 权威机构+行业大咖聚焦行业热点话题研讨

5月26日下午 电厂参观——赴上海外高桥第三发电有限责任公司实地考察(限30人，5月15日18:00该环节报名截止)

地点：上海市徐汇区零陵路800号上海东亚富豪酒店1楼富豪厅

大会官网：http://news.bjx.com.cn/zhuanti/2017rmfh/#zxbm

主办单位：

中国节能协会

北极星电力网

北极星环保网

支持单位：

中国能源研究会节能减排中心

华北电力大学国家大学科技园

中国汞污染防治技术产业创新联盟

行业大咖齐聚:

国家能源局，待定

上海外高桥第三发电有限责任公司总经理，施敏

中国节能协会秘书长，宋忠奎，

中国能源研究会节能减排中心主任，王凡

中国科学院北京综合研究中心研究员，陈扬

南京工业大学机械与动力工程学院教授，虞斌

上海发电设备成套设计研究院，待定

西安热工研究院高级工程师，屈杰

福建龙净环保股份有限公司/国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心,高级仿真师/副主任，叶兴联

GE煤电创新中心中国区总经理 ,高进

中晶环境科技股份有限公司董事长高级仿真工程师，童裳慧

上海神明控制工程有限公司高级仿真工程师，马琦

重庆环际低碳节能技术开发有限公司市场高级经理，尹宝娟

三菱日立电力系统(中国)投资有限公司，待定

国电科学技术研究院清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室，待定

南京电力环境保护科学研究所，待定

浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，待定

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